Scale-iDriver在汽車極門極驅(qū)動(dòng)方面的應(yīng)用

在IEEE PEAC 2018國(guó)際會(huì)議期間PI大功率技術(shù)總監(jiān)魏煒先生作了題為《SCALE-iDriver - Automotive Gate Driver》的演講，介紹了Scale-iDriver在汽車極門極驅(qū)動(dòng)方面的應(yīng)用 。本文為魏煒先生演講全文。

電動(dòng)汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，預(yù)計(jì)將從2017年的110萬(wàn)輛增至2025年的1100萬(wàn)輛，與汽車相關(guān)的大功率開(kāi)關(guān)器件的需求量也將隨之猛增。2025年之后，這一勢(shì)頭還將繼續(xù)加速。

電動(dòng)汽車(EV)生態(tài)系統(tǒng)由兩個(gè)要素構(gòu)成：電動(dòng)汽車和充電站。電動(dòng)汽車具有多個(gè)不同的開(kāi)關(guān)級(jí)，包括電池管理系統(tǒng)、牽引逆變器、車載充電器、DC-DC變換器以及混合動(dòng)力汽車(HEV)中的啟停控制系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用中，從230VAC（單相）電源為電動(dòng)汽車充電主要通過(guò)單相3.6kW充電器或三相充電器（輸出功率可達(dá)22kW）完成。對(duì)汽車電池進(jìn)行快速充電（1小時(shí)以內(nèi)）需要使用高壓直流充電器（最高達(dá)800V），這樣才能快速傳遞能量。

汽車功率元件需要具備優(yōu)異的穩(wěn)定性，大功率充電意味著動(dòng)力總成的每一級(jí)都必須具有出色的效率。新的開(kāi)關(guān)技術(shù)（如碳化硅）已能降低開(kāi)關(guān)元件的損耗。增強(qiáng)型SiC、MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器（如SCALE-iDriver）可提高時(shí)鐘精度并提供更大的門極電流，從而提高開(kāi)關(guān)效率。新出現(xiàn)的更穩(wěn)健的通信技術(shù)則可延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。新型驅(qū)動(dòng)器新增了諸多先進(jìn)的安全特性，可在過(guò)載情況下對(duì)動(dòng)力總成提供保護(hù)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

Power Integrations已發(fā)布兩款A(yù)EC-Q100 Grade-1汽車級(jí)SCALE-iDriver IC ——SID1132KQ和SID1182KQ，汽車工程師可充分利用業(yè)界領(lǐng)先的性能和可靠性，為大電流隔離型IGBT、MOSFET和SiC模塊提供驅(qū)動(dòng)。

單通道驅(qū)動(dòng)器IC采用Power Integrations創(chuàng)新的FluxLink磁感電氣隔離通信技術(shù)，該技術(shù)可在低壓原方與高壓副方之間提供雙向高速通信鏈路。FluxLink由兩個(gè)間距為0.4mm的磁感耦合導(dǎo)體構(gòu)成，并且嵌入在同質(zhì)絕緣材料中，可提供超過(guò)8000V的絕緣且符合VDE0884-10標(biāo)準(zhǔn)（未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)為VDE0884-11）。SID1132KQ和SID1182KQ采用Power Integrations堅(jiān)固可靠的緊湊型eSOP封裝，可提供CTI600級(jí)的9.5mm爬電距離和電氣間隙，并且是唯一的汽車級(jí)門極驅(qū)動(dòng)器IC，可輕松滿足汽車級(jí)5000米高海拔加強(qiáng)絕緣標(biāo)準(zhǔn)。

FluxLink技術(shù)已被PI多款量產(chǎn)的工業(yè)及消費(fèi)級(jí)AC-DC變換器IC所采用，此類產(chǎn)品的全球出貨量已超過(guò)5億片，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出極高的可靠性（故障率<1PPM）。IC封裝內(nèi)集成了原方隔離帶和通信鏈路，可增強(qiáng)可靠性并省去光耦器等外圍隔離元件，此類元件都存在散熱性能不高和長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足的固有問(wèn)題。

Power Integrations已能夠推出眾多的創(chuàng)新特性，其中包括可穩(wěn)定門極-發(fā)射極電壓的功率和電壓集成管理控制，以及可在電壓緩降時(shí)保護(hù)高壓電路的欠壓保護(hù)(UVLO)。這些集成特性可簡(jiǎn)化SCALE-iDriver的電路設(shè)計(jì)，從而減少外圍元件數(shù)。此外，所集成的高級(jí)軟關(guān)斷(ASSD)和退飽和等安全特性可確保在故障時(shí)安全工作。除了提供加強(qiáng)絕緣外，F(xiàn)luxLink的高速雙向通信鏈路延遲時(shí)間還非常短。FluxLink可將器件的低壓輸入控制側(cè)與副方（高壓）相隔離。它還可以向驅(qū)動(dòng)器的高壓側(cè)提供開(kāi)關(guān)信息，向低壓側(cè)微控制器提供反饋故障信息。低壓側(cè)輸入管腳(IN)和輸出管腳(SO)支持5VCMOS邏輯電平。門極驅(qū)動(dòng)器指令傳輸至副方（高壓）門極驅(qū)動(dòng)管腳GH和GL，傳輸延遲通常分別為260nS和5ns，且時(shí)間抖動(dòng)支持75kHz開(kāi)關(guān)頻率，因此iDriver非常適合高頻率電源開(kāi)關(guān)應(yīng)用。原方（低壓）SO輸出管腳在正常工作時(shí)具有高阻抗，但會(huì)在檢測(cè)到故障時(shí)被驅(qū)動(dòng)至GND電位。圖1所示為可滿足簡(jiǎn)單的電源要求且因使用SCALE-iDriver而使外圍元件數(shù)達(dá)到最少的典型應(yīng)用電路。

【圖1 - 典型應(yīng)用電路】

為確保工作可靠性，驅(qū)動(dòng)器必須在電壓瞬變和故障時(shí)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)元件提供保護(hù)。SCALE-iDriver元件提供短路和驅(qū)動(dòng)器欠壓保護(hù)。SCALE-iDriver利用半導(dǎo)體退飽和效應(yīng)(Dsat)檢測(cè)系統(tǒng)短路，并利用高級(jí)軟關(guān)斷(ASSD)技術(shù)安全關(guān)斷開(kāi)關(guān)。器件支持同時(shí)基于二極管和電阻的檢測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)噪聲尖峰不太敏感。基于電阻的檢測(cè)技術(shù)如圖2所示。在關(guān)斷期間，VCE管腳在內(nèi)部連接至COM管腳，電阻串電容CRES被放電（圖3中的紅色曲線表示VCE管腳的電位）。在功率開(kāi)關(guān)接收到導(dǎo)通指令時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓(VCE)從關(guān)斷狀態(tài)（與直流母線電壓處于相同水平）下降到非常低的通態(tài)電壓（參見(jiàn)圖3中的藍(lán)色曲線）。CRES電勢(shì)被充電至VCE飽和電壓(VCE(SAT))。CRES的充電時(shí)間取決于RVCEX、直流母線電壓和CRES電容。開(kāi)通期間的VCE電壓會(huì)持續(xù)被觀測(cè)并與內(nèi)部參考電壓VDES進(jìn)行比較。VDES電平適合不同的開(kāi)關(guān)技術(shù)。如果VCE管腳電壓超過(guò)VDES（圖3中的紅圈），驅(qū)動(dòng)器將立即關(guān)斷功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，同時(shí)控制集電極電流斜率，將VCE過(guò)沖電壓限制在最大集電極-發(fā)射極電壓(VCES)以下。導(dǎo)通指令在此期間以及tSO期期間會(huì)被忽略，SO管腳在內(nèi)部被下拉至GND。響應(yīng)延遲時(shí)間tRES為CRES充電時(shí)間，描述了從VCE退飽和后到VCE管腳電壓上升至參考電位之間的延遲（見(jiàn)圖3）。響應(yīng)時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以避免在半導(dǎo)體開(kāi)通時(shí)誤保護(hù)，并且可通過(guò)RVCE和CRES（圖2）值進(jìn)行調(diào)整。高級(jí)軟關(guān)斷會(huì)在檢測(cè)到短路時(shí)激活。終止開(kāi)關(guān)周期同時(shí)限制VCE電流斜率，以使VCE過(guò)沖電壓始終低于開(kāi)關(guān)的額定最大值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)元件的保護(hù)。

【圖2 - 基于短路電阻的檢測(cè)】

使用獨(dú)立的上管驅(qū)動(dòng)(GH)和下管驅(qū)動(dòng)(GL)輸出，可使不同的電阻值用于優(yōu)化開(kāi)通和關(guān)斷電流，從而降低開(kāi)通時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，有助于提高效率。在SID1182KQ中，GH管腳可在開(kāi)通期間提供7.2A的峰值電流，GL管腳可在關(guān)斷期間提供8.0A的峰值電流。（如果兩個(gè)電阻的值相同，則GH和GL管腳可以連接在一起。）

【圖3 - 故障檢測(cè)電壓曲線】

SCALE-iDriver器件非常適合要求在-40°C至+125°C的更寬溫度范圍內(nèi)具有堅(jiān)固可靠性能的汽車應(yīng)用。由于集成了退飽和檢測(cè)和高級(jí)軟關(guān)斷特性，它們的安全性能更高，并且還是唯一符合高海拔要求的隔離式驅(qū)動(dòng)器，可在5000米海拔提供531V加強(qiáng)絕緣。

SCALE-iDriver典型的動(dòng)力總成應(yīng)用包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的牽引逆變器、提供輸入穩(wěn)壓的車載充電器以及可從高壓母線吸收電流并產(chǎn)生輔助系統(tǒng)所需的低壓的DC-DC電壓變頻器。

完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)可從Power Integrations網(wǎng)站獲取，另有參考設(shè)計(jì)和應(yīng)用指南可供使用。